磁性微型机器人实现活细胞内部量子传感器操控
活细胞内部环境黏稠，对于像量子传感器这样的纳米级粒子而言，运动受到粘性阻力的强烈限制，从而给生物传感带来了极大挑战。来自印度科学研究院（IISc）的研究团队近期成功开发出一种创新方法，利用磁性微型机器人引导量子传感器在活细胞内部等高黏度生物环境中移动。这项突破为实现细胞内部参数的实时、微创测量提供了新路径。
“在软性生物环境中，传感器的测量能力受到其接近目标分子的概率影响。” 纳米科学与工程中心（CeNSE, IISc）教授、本研究通讯作者Ambarish Ghosh表示，“关键问题是，如何将传感器准确引导至目标区域，以捕捉相关信号。”
量子传感器的运行机制
Ghosh团队将嵌有氮空缺（NV）中心的纳米钻石量子传感器与磁控微型机器人集成。NV中心是指金刚石晶格中一个碳原子被氮取代，其旁边存在一个空位，形成具有量子自旋特性的结构。该结构对周围环境的物理参数如温度和磁场等高度敏感，这些参数会以可测量的方式影响其自旋状态。
当激光照射纳米钻石时，会激发其产生荧光，从而实现对细胞内环境的多参数测量。然而，传统方法依赖光学镊子来定位和操控纳米钻石，但高能量激光可能会对细胞造成热损伤。
磁性微型机器人替代传统光学操控
IISc团队提出了一种无需光学操作的解决方案：将纳米钻石固定在磁控微型机器人上。这些微型机器人含有铁元素，可以通过外部旋转磁场引导其旋转，并利用其螺旋结构将旋转运动转化为线性移动。这种机制使得团队能够在三维空间内精准操控传感器，仅在测量时使用激光，避免了持续照射带来的光毒性及细胞损伤。
此外，在纳米尺度下，布朗运动（即分子的随机热运动）会导致传感器方向不稳定，增加信号噪声。通过外部磁场的定向控制，研究团队成功稳定了纳米钻石的位置，有效降低了噪声干扰，提高了信号质量。
精确设计以减少干扰
“我们通过磁性操控抑制了布朗运动的影响，这使得该系统在性能上超越了传统光学方法。” Ghosh指出。
为了确保磁性元件不会干扰量子传感器的运作，团队在设计过程中采取了关键措施。纳米钻石被放置在距微型机器人磁性头部约1微米的位置，该距离足以减弱磁场对传感器自旋态的干扰。
“这种新型平台不仅适用于测量活细胞内的黏度和温度，还可以用于监测活性氧（ROS）浓度。” Ghosh补充道，活性氧在癌症和衰老过程中具有重要作用。
相关研究成果由Eklavy Vashist等发表于《Advanced Functional Materials》（2026），论文DOI为：10.1002/adfm.202527479。
期刊信息：Advanced Functional Materials